复合材料修复含腐蚀管道的变形量预测

徐时贤，段梦兰，张　玉，何　同

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院，北京 100029)①



复合材料修复含腐蚀管道的变形量预测

徐时贤1，段梦兰1，张玉1，何同2

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院，北京 100029)①

采用复合材料修复管道的技术比其他传统修复技术更有优势，而且还能降低成本。因为复合材料的变形量决定了修复管道的承载内压能力，因此计算了两种情况下的复合材料变形量，即，单一腐蚀和两处腐蚀。建立带缺陷管道的三维模型，对腐蚀的深度、宽度和缺陷的距离进行研究。130个有限元模型通过Python语言进行了参数化建模。分析结果证明腐蚀长度对复合材料的变形量影响比较大。而且，对于两处腐蚀的情况，当它们的轴向距离参数大于2时，由具有最大尺寸缺陷的腐蚀决定复合材料变形量。

管道维修；复合材料；腐蚀；径向变形

管道腐蚀失效排在管道失效原因的前3位，在记载的管道失效案例中该失效模式约占15%～27%。事实上，管道壁厚上的材料损失是一个很常见的情况[1]，管道的修复工作已经成为油气输送中的一个非常重要的工作[2]。

复合材料修复技术相对于传统的修复海洋结构的方法有很多优势，例如，可以避免焊接方法中的热效应，而且有对裂纹进行密封的效果[3]。另外，复合材料修补能够增强含裂纹结构的疲劳寿命，或者起到增强被腐蚀结构的强度的作用[4]。因为复合材料修复技术的这些优势，学者们开展了众多研究，并且对这种修补技术制定了一些标准[5-9]。基于这些标准，也有学者进行更精确的计算[10]。

Alexander对复合材料修复技术进行了一系列的试验。试验中，弯曲载荷、轴向载荷和内压都进行了研究。试验结果表明这种技术可以增强含缺陷的管道的机械强度[11]。为了研究几何特征的影响，Shouman进行了有限元模型和试验研究，结果表明：纤维冉超长度能够增强修复管道的轴向性能；缠绕厚度不能够增强管道轴向的强度，但是，增强厚度可以阻止缺陷区域的屈服[12-13]。为了提高含腐蚀缺陷的管道的失效压力的预测精度，有学者提出了MTI(Mixed Type of Interaction)法[14]。Benjamin建立了有限元模型来计算22个腐蚀区域的失效压力，通过MTI法和其他6种方法得出来的压力进行了对比[15]。

虽然一些针对被修复结构的研究已经开展，但是大多数研究都是针对外腐蚀。在管道运行过程中，内腐蚀更容易发生。复合材料也有其极限应变，周向应变可以通过径向变形量求出。因此，本文采用有限单元法计算复合材料的径向变形量，从而研究内腐蚀的影响。

1　有限元模型

本文中管道采用的API X65钢的成分如表1。钢和复合材料的材料属性如表2。表3为管道的几何尺寸。材料腐蚀的周向角度是5°，其长度为30 mm，其厚度是9.54 mm。在管道内施加的内压是40 MPa。

表1　API X65 材料的成分　wB%

由于模型较多，研究中采用Python语言实现有限元模型的参数化，模型中被腐蚀的管线和修复用的复合材料都进行了创建。计算时，管道一端完全约束 (Ux，UyandUz= 0)。因为模型是对称的，所以管道模型可以创建1/2。模型的网格如图1所示，网格划分采用的是三维二次单元(C3D8R)。此修复模型中包含85 690个模型，有93 276个节点。从图1中可以显示出此模型的网格和腐蚀区域的加密网格。

表2　接头材料性能

表3　被修复管道的几何尺寸　mm

图1　含腐蚀缺陷的被修复管道的1/2模型

2　结果分析

2.1腐蚀尺寸的影响

管道修复之后，结构的承载能力取决于复合材料的变形量。此计算中腐蚀尺寸的深度、长度和宽度都考虑在内。计算结果可以作为衡量管道承载能力的依据。

1)腐蚀深度的影响。

图2是不同腐蚀深度下计算出来的结果，随着腐蚀深度的增加变形量增加。而且，腐蚀宽度增加，变形量也会成一定比例增加。但是，随着腐蚀深度的变化，复合材料的变形量变化比较小。所以，腐蚀深度对变形量的影响很小。

2)腐蚀长度的影响。

针对管道外腐蚀，有学者对轴向的腐蚀长度对复合材料变形量的影响进行了计算[16]。图3是针对管道内腐蚀的计算结果，从图中可以看出，径向变形和腐蚀长度几乎成正比例增长。而且，对于不同宽度的模型，变形量之间的差别不大。所以，管道环空方向的抵抗变形的能力比较小。

图2　腐蚀深度对修复层变形量的影响

图3　腐蚀长度对修复层变形量的影响

3)腐蚀周向宽度的影响。

对于外部腐蚀的管道，变化腐蚀宽度对有限元估算出来的失效压力影响比较小[16]。图4是不同内腐蚀宽度的计算结果。从结果中可以看出，腐蚀周向宽度对复合材料的变形量的影响不大。这是因为管道长度方向对管道的抵抗变形的能力比较强。

图4　腐蚀宽度对修复层变形量的影响

2.2轴向距离参数的影响

当管道在腐蚀环境下时，会产生许多的腐蚀点。所以在计算时，轴向距离参数也需要考虑在内，因此需要创建带有两个腐蚀区域的模型。单位长度[17]为

式中：D 是管道直径；t是管道的壁厚。

轴向距离参数就是两个腐蚀区域的中心距离与单位长度的比值。

1)腐蚀深度的影响。

两个区域的腐蚀深度选定9.54mm和 4.5mm。在图5中，腐蚀深度9.54mm的线表示管道上有一个深度为9.54mm的腐蚀区域情况下的计算结果。通过比较可以发现，当两个区域的尺寸比较小时，腐蚀深度越深，相互作用的影响越大。如果腐蚀深度相同，变形量是含一个腐蚀区域的变形量的1.2倍。当轴向距离参数大于2时，两个实例的径向变形量趋于相同。这说明两个区域相互不影响。

图5　不同腐蚀深度时轴向间距与修复层变形量关系曲线

2)腐蚀长度的影响。

两个区域的腐蚀长度选为30mm和15mm。在图6中，长度60、长度45 和长度 30的线表示含有腐蚀长度60mm，45mm和30mm的单一腐蚀区域情况下的计算结果。从结果可以看出当两个区域的距离比较小时，两个区域情况下的变形量几乎相当于两个单一区域情况下的变形量之和。当轴向距离参数大于2时，两个例子的径向变形量的值趋向于单一区域的径向变形量。

3)腐蚀周向宽度的影响。

两个区域的腐蚀周向角度选为5°和2.5 °。在图7中，宽度5°的线表示含有腐蚀宽度为5°的单一腐蚀区域情况下的计算结果。从结果可以看出，两个例子的变形量几乎相同。当轴向距离参数大于2mm，两个例子的变形量趋向于含有单一腐蚀区域情况的变形量。

图7　不同腐蚀宽度时轴向间距与修复层变形量关系曲线

3　结论

1)复合材料粘结技术广泛应用于工业中。复合材料的变形量可以反映出粘结结构的应力状态。在本文中，对腐蚀尺寸的影响都进行了研究。

2)对于含单一腐蚀区域的情况，内外腐蚀的尺寸对变形量大小的影响是相同的。环空方向的腐蚀宽度影响比较小，而轴向方向的腐蚀长度影响比较大。腐蚀深度增加，复合材料变形量增大，这说明，管道抵抗变形的能力主要由管道长度方向决定。

3)对于含两个腐蚀区域的情况，当轴向距离参数大于2时，它们中最大腐蚀尺寸决定了复合材料的变形量。当参数比较小时，得出的结果与两个腐蚀区域长度之和得到的结果相等。

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Prediction of Composite Deformation in Pipelines with Repaired Defects

XU Shixian1，DUAN Menglan1，ZHANG Yu1，HE Tong2

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China；2.ResearchInstituteofPetroleumEngineering，SINOPEC，Beijing100029，China)

Repairs made with composite patches on pipes offer distinct advantages over traditional repairs in addition to reduced cost.The object of this study was to calculate amount of deformations of composite in repaired pipelines under two conditions：single corrosion defect and two corrosion defects.The three-dimensional finite element model (FEM) was built.The effects of corroded depth，length，width and distance of defects were investigated.Besides，130 finite element models of thick-walled pipes with practical configurations were constructed and analyzed using Python (the programming language within the finite element software package ABAQUS).The obtained results indicated that the length of defect has a great influence on the deformation.In addition，for two corrosion defects，when the axial spacing factor is more than 2，the maximum deformation depends on the maximum dimension of them.

pipe line maintenance；composite material；corrosion；radial deformation

1001-3482(2016)09-0071-04

2016-03-13

国家自然科学基金“深海极端环境下复合材料立管粘结接头的强度及断裂研究”(No.11302264)；国家重点基础研究发展计划(973 计划)“深海工程结构的极端环境作用与全寿命服役安全”(2011CB013702)

徐时贤(1986-)，男，河北高碑店人，博士研究生，研究方向为含缺陷管道的复合材料修复，E-mail：xushixian1986@sina.com。

TE973

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.016